Durante muitos anos, a análise da composição química dos materiais exigiu instrumentos de laboratório grandes e caros, chamados espectrômetros. Esses sistemas são usados em tudo, desde diagnóstico de doenças e inspeção de alimentos até monitoramento de contaminação. Os espectrômetros tradicionais funcionam usando um prisma ou grade para separar a luz em suas cores componentes e depois medir a intensidade de cada comprimento de onda. Como este processo requer que a luz percorra distâncias relativamente longas, os instrumentos são muitas vezes volumosos e difíceis de miniaturizar.
Agora, os pesquisadores da UC Davis desenvolveram uma alternativa muito menor. escrito em Fotônica Avançadaa equipe descreve um espectrômetro on-wafer que é tão pequeno que tem quase o tamanho de um grão de areia. Em vez de depender de grandes componentes ópticos para separar fisicamente a luz, o novo sistema utiliza inteligência artificial (IA) e um pequeno grupo de sensores especialmente concebidos para reconstruir computacionalmente o espectro.
Substitua componentes ópticos volumosos por inteligência artificial
O chip abandona o método padrão de espalhar a luz em um arco-íris. Em vez disso, ele conta com 16 detectores de silício exclusivos, cada um dos quais responde de maneira ligeiramente diferente à luz que entra. Em vez de separar diretamente cores individuais, o detector coleta sinais codificados que contêm informações espectrais ocultas.
Uma maneira de pensar sobre este sistema é como um grupo de provadores especializados que experimentam diferentes aspectos da mesma mistura complexa. Individualmente, cada detector captura apenas uma parte da imagem. No entanto, juntos eles produzem informação suficiente para que a inteligência artificial reconstrua o espectro original.
O segundo componente principal é uma rede neural totalmente conectada e treinada em milhares de exemplos. Como os sinais do detector são ruidosos e altamente codificados, a inteligência artificial pode compreender a complexa relação entre esses sinais e o espectro real. Esta abordagem resolve o que os pesquisadores chamam de “problema inverso”, permitindo que o sistema reproduza dados espectrais com uma precisão de resolução de aproximadamente 8 nm, sem a necessidade de hardware óptico volumoso.
Estendendo o silício para a faixa infravermelha
Um grande avanço veio da modificação da superfície de um fotodiodo de silício padrão com uma textura de superfície especializada em captura de fótons (PTST). O silício é geralmente adequado para detecção de luz visível, mas tem dificuldade em capturar luz infravermelha próxima (NIR) (comprimentos de onda de até 1100 nm). A luz infravermelha próxima é particularmente importante para aplicações como imagens biomédicas porque pode penetrar mais profundamente no tecido humano do que a luz visível.
A superfície PTST projetada altera o comportamento da luz dentro do wafer. Em vez de permitir que os fótons do infravermelho próximo passem diretamente através da fina camada de silício, a superfície texturizada espalha a luz para frente e para trás, aumentando a probabilidade de o silício absorver a luz. Como resultado, o chip torna-se sensível em uma faixa espectral mais ampla do que os sensores de silício padrão.
Capturando interações de luz ultrarrápidas
A nova arquitetura oferece mais do que uma simples detecção de cores. O chip também integra sensores de alta velocidade que podem medir a vida útil dos fótons com precisão de tempo extremamente alta. Isso permite que o dispositivo detecte interações ultrarrápidas entre a luz e a matéria que os espectrômetros tradicionais podem perder completamente.
Os pesquisadores dizem que essa capacidade pode abrir as portas para formas avançadas de detecção e imagem que anteriormente exigiam sistemas maiores e mais caros.
Pequena área ocupada, grande potencial
O sistema completo ocupa apenas 0,4 milímetros quadrados, mantendo alta sensibilidade e forte imunidade a ruídos elétricos, o que é um grande desafio para eletrônicos portáteis de baixo custo. O design assistido por inteligência artificial mantém a qualidade do sinal claro mesmo em ambientes ruidosos.
Ao combinar o aprendizado de máquina com a detecção aprimorada de luz de silício, a tecnologia pode abrir caminho para dispositivos de detecção hiperespectrais compactos e em tempo real. As aplicações potenciais variam desde diagnósticos médicos portáteis e monitores de saúde vestíveis até sensoriamento remoto ambiental e análise de qualidade de alimentos.
